JP6307161B2 - Auxiliary heating in waste heat recovery - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の廃熱からエネルギーを回収するための、ランキンサイクル装置等の、ボトミングサイクル装置、より詳細には、作動流体が廃熱膨張機の運転に十分な温度であることを確実にするための方法及び装置に関する。 The present invention relates to bottoming cycle devices, such as Rankine cycle devices, for recovering energy from waste heat of internal combustion engines, and more particularly to ensuring that the working fluid is at a temperature sufficient for the operation of the waste heat expander. The present invention relates to a method and an apparatus.
ボトミングサイクル装置、例えばランキンサイクルに基づく装置では、システム効率は、使用可能時間、即ち、廃熱の回収が起こる運転時間に直接関係している。非作動期間は、多くの場合、利用できる低品質熱(十分でない廃熱)や部品予熱時間(ボイラーや膨張機を暖める時)が原因である。例えば、トラックエンジンに接続された廃熱回収装置は、エンジンの始動及び暖機の直後は作動していない場合がある。 In bottoming cycle devices, such as devices based on Rankine cycles, system efficiency is directly related to the uptime, i.e. the operating time during which waste heat recovery occurs. Non-operational periods are often caused by low quality heat (not enough waste heat) and part preheating time (when warming boilers and expanders) that are available. For example, a waste heat recovery device connected to a truck engine may not be operating immediately after starting and warming up the engine.
本発明は、低品質熱の利用可能期間中の温度管理を向上させることによって運転時間を増加するため、及び運転に戻る時の装置の予熱時間を減少するための解決策を提案する。 The present invention proposes a solution to increase the operating time by improving the temperature management during low quality heat availability and to reduce the preheating time of the device when returning to operation.
本発明は、ランキンサイクル、エリクソンサイクル及びその他の廃熱回収サイクル等のボトミングサイクルに適用できる。 The present invention can be applied to bottoming cycles such as Rankine cycle, Ericsson cycle and other waste heat recovery cycles.
ボトミングサイクル装置は、ボイラー、蒸発器、又は熱交換器等の、廃熱回収熱交換器から作動流体を受け取るための作動流体回路に接続された膨張機を含むことができる。膨張機に案内された作動流体は、膨張器内で膨張して使用可能な仕事又はエネルギーを発生する。 The bottoming cycle apparatus can include an expander connected to a working fluid circuit for receiving a working fluid from a waste heat recovery heat exchanger, such as a boiler, an evaporator, or a heat exchanger. The working fluid guided to the expander expands in the expander to generate usable work or energy.
本発明によれば、作動流体回路上に動作可能に接続された加熱装置は、廃熱回収熱交換器によって回収された廃熱が膨張機の作動レベルまで作動流体エンタルピーを増加させるのに十分でない場合に作動流体に補助熱を提供する。 In accordance with the present invention, a heating device operably connected on the working fluid circuit is not sufficient for the waste heat recovered by the waste heat recovery heat exchanger to increase the working fluid enthalpy to the expander operating level. In some cases, it provides auxiliary heat to the working fluid.
加熱装置は、作動流体を加熱するために熱交換器と共に配設されるバーナー又は電気加熱装置を含むことができる。バーナーは、燃料源、例えば、ディーゼル等の炭化水素燃料を含むことができる。電気加熱装置は、車両給電システム等の供給源から電気エネルギーを受け取るように接続することができる。 The heating device can include a burner or an electrical heating device disposed with the heat exchanger to heat the working fluid. The burner can include a fuel source, for example, a hydrocarbon fuel such as diesel. The electrical heating device can be connected to receive electrical energy from a source such as a vehicle power supply system.
制御装置は、加熱装置の運転を制御するため、また作動流体の温度及び圧力(ボイラーの出口で測定可能)を監視するために接続することができる。 The control device can be connected to control the operation of the heating device and to monitor the temperature and pressure of the working fluid (measurable at the boiler outlet).
加熱装置は、ボイラーと膨張機の間の作動流体回路上に配置することができる。或いは、加熱装置は、ポンプとボイラーの間の作動流体回路上に配置することができる。 The heating device can be placed on the working fluid circuit between the boiler and the expander. Alternatively, the heating device can be placed on the working fluid circuit between the pump and the boiler.
更に別の代替例によれば、加熱装置は、廃熱源流に熱を付加するためにボイラー上に配置することができる。例えば、ボイラーが廃熱源としてエンジン排気ガスの流れを受け取るように接続されている場合、補助加熱装置は、ボイラーに入った時に排気ガスに熱を付加するように配置することができる。 According to yet another alternative, the heating device can be placed on the boiler to add heat to the waste heat source stream. For example, if the boiler is connected to receive a flow of engine exhaust gas as a waste heat source, the auxiliary heating device can be arranged to add heat to the exhaust gas as it enters the boiler.
本発明によれば、作動流体回路は、補助加熱装置が配置された加熱ループを含むことができ、加熱ループは弁によって制御され、弁は、作動流体の熱品質に応じて、膨張機に侵入する前に作動流体を膨張機又は加熱ループに直接案内している。 According to the present invention, the working fluid circuit may include a heating loop in which an auxiliary heating device is arranged, the heating loop being controlled by a valve, which enters the expander depending on the thermal quality of the working fluid. The working fluid is guided directly to the expander or heating loop before it is done.
更に別の態様によれば、作動流体回路は、熱品質が低い場合、又は膨張機の運転が望ましくない場合、膨張機の周囲に、作動流体が案内されるバイパス回路を含むことができる。 According to yet another aspect, the working fluid circuit may include a bypass circuit around which the working fluid is guided when the thermal quality is low or when the operation of the expander is undesirable.
一実施形態によれば、バイパス回路は、補助加熱装置が配置され、作動流体を膨張機に戻す第1のループ、即ち加熱ループと、膨張機を迂回するように第1のループからの作動流体を案内する第2のループとを含むことができる。 According to one embodiment, the bypass circuit includes a first loop in which an auxiliary heating device is disposed and returns the working fluid to the expander, i.e., a heating loop, and the first loop to bypass the expander. And a second loop for guiding.
図1に示すように、典型的なボトミングサイクル廃熱回収装置は、熱源(図示せず)、例えば、作動流体を加熱するための、内燃機関排気からの廃熱、エンジン冷却液、エンジンオイルクーラー、又はその他の供給源から熱を回収するための蒸発器又はボイラー10を含んでいる。ボイラー入口の流入管11は、廃熱輸送媒体(例えば、排気ガス)をボイラー10に導通し、流出管13は、熱交換後にボイラー出口から出た媒体を輸送する。作動流体は、作動流体回路12によって廃熱回収装置を通して輸送される。ボイラー10を出る加熱された作動流体は、作動流体回路線12aを通して膨張機14に案内され、そこで作動流体を膨張させることによって仕事を発生する。膨張機は、タービン、ピストンエンジン、スクロール、スクリュー、又はその他の機械であってもよい。発生した仕事は、軸15を通して伝達することができ、例えば、発電機を駆動するために、即ち、内燃機関の駆動軸に付与される機械力として使用することができる。膨張した作動流体は、回路線12bを通して凝縮器16に案内され、そこで作動流体から残留熱を除去し、作動流体を凝縮する。凝縮した流体は、その後回路線12cを通してポンプ18に案内され、そこで作動流体を圧縮する。回路線12cは、作動流体をポンプ18からボイラー10に輸送して、廃熱回収サイクルを繰り返す。
As shown in FIG. 1, a typical bottoming cycle waste heat recovery system includes a heat source (not shown), eg, waste heat from an internal combustion engine exhaust, engine coolant, engine oil cooler for heating a working fluid. Or an evaporator or
図2に示すように、且つ当該技術において周知のように、ボトミングサイクル廃熱装置は、作動流体を膨張機14の周囲で凝縮器16に選択的に案内するためのバイパス弁20及びバイパス回路22を含むことができる。バイパス弁20は、作動流体が運転状態にある場合は線24を通して膨張機14に案内するか、若しくは、膨張機による発電が望ましくない場合又は作動流体の品質が膨張に十分でない場合は線22を通して膨張機14を迂回するように制御することができる。例えば、過熱蒸気のように、作動流体を運転温度まで加熱するためにボイラー10で利用できる廃熱が足りない場合、作動流体の品質は、十分でなくなる可能性がある。凝縮器16は、バイパス回路から受け取った作動流体を冷却し、冷却した流体は、ポンプ18によって蒸発器/ボイラー10にポンプ輸送される。
As shown in FIG. 2 and as is well known in the art, the bottoming cycle waste heat device includes a
図3は、本発明による装置の一実施形態を図示している。図3の装置は、作動流体に補助熱を提供するために作動流体回路12に動作可能に接続された加熱装置40を含んでいる。加熱装置40は、蒸発器10と膨張機14の間に接続されて図示されている。蒸発器10によって回収されて作動流体に伝達された熱が膨張機14で使用するのに十分でない場合、加熱装置40は、作動流体に補助熱を付加するように作動することができる。
FIG. 3 illustrates one embodiment of an apparatus according to the present invention. The apparatus of FIG. 3 includes a
加熱装置40は、バーナー又は電気加熱装置によって供給される熱による熱交換器として構成することができる。
The
加熱装置40は、エネルギー源44からのエネルギーを受け取るように接続されている。加熱装置40はバーナー装置であってもよく、エネルギー源44は炭化水素燃料であってもよい。燃料は、都合の良いことに、廃熱を発生させるエンジンが使用するのと同じ燃料であってもよい。加熱装置40は、代わりに、電気ヒーターや、電気エネルギー源として構成されたエネルギー源であってもよい。例えば、廃熱回収装置がトラックと関連している場合、トラックの電気システムはエネルギー源として接続することができる。その他の加熱装置を使用してもよい。
The
加熱装置40は、ボイラー10を出る作動流体の検出温度に基づいて作動することができる。ボイラー10の出口の、又はボイラーの出口側の作動流体回路12a上の温度センサ46は、温度信号を制御装置48に提供するように接続することができ、この制御装置48は、センサ46からの温度信号に応じて加熱装置40及びエネルギー源44を制御するように接続されている。
The
加熱装置40は、作動流体の圧力等の、その他の運転条件に基づいて制御することもできる。更に、膨張機の出口側(又は凝縮器の入口)の温度センサ62は、出ていく膨張した作動流体の温度を監視し、信号を制御装置48に提供することができる。
The
図4は、図3の装置の一代替実施形態の概略図である。バイパス弁20は、熱品質が膨張に十分でない場合、バイパス回路22を通して膨張機14を迂回するように作動流体を案内するために設けられている。バイパス弁20は、ボイラー10から回収した廃熱からの、又は加熱装置40からの補助熱からの、又はその両方からの、作動流体の熱品質が膨張に十分でない場合、作動流体を膨張機14に案内するように制御されている。バイパス弁20は、ボイラーの出口側のセンサ46及び/又は加熱装置40の出口側のセンサ47によって測定された作動流体の温度を含む条件に応じて、制御装置48によって制御されている。
FIG. 4 is a schematic diagram of an alternative embodiment of the apparatus of FIG. The
図5は、ボイラー10から流れる作動流体の熱品質が十分な品質である場合、又は補助加熱が必要な場合、補助加熱装置40が配置される第1のバイパス回路22aに第1のバイパス弁20aを含む、別の代替実施形態を示している。第2のバイパス弁20bは加熱装置40の下流にあり、作動流体の熱品質が膨張に十分である場合、回路22bを通して膨張機14に作動流体を案内し、それによって第1のバイパス回路を終了する。第2のバイパス弁20bは、作動流体の熱品質が膨張に十分でない場合、第2のバイパス回路22cを通して作動流体を案内する。第1のバイパス弁20a及び第2のバイパス弁20bは、ボイラー10の出口側のセンサ46及び加熱装置40の出口側のセンサ47によって測定された作動流体の温度を含む運転条件に応じて、制御装置48によって制御されている。
FIG. 5 shows that when the heat quality of the working fluid flowing from the
図5の一代替実施形態によれば、第2のバイパス弁20b及び第2のバイパス回路22cは省略され、第1のバイパス弁20a、バイパス回路22a及び加熱装置40は加熱ループを構成している。バイパス弁20aは、作動流体が膨張機に案内される前の補助加熱用に、膨張機又は加熱ループに直接作動流体を案内するように制御されている。
According to an alternative embodiment of FIG. 5, the second bypass valve 20b and the second bypass circuit 22c are omitted, and the first bypass valve 20a, the bypass circuit 22a and the
図6は、一代替実施形態の概略図である。加熱装置40は、ポンプ18とボイラー10の間で、ボイラー10の入口側の作動流体回路12に接続することができる。バイパス弁20及びバイパス回路22は、膨張機の運転が望ましくない場合、又は作動流体の品質が膨張に十分でない場合、膨張機を迂回するように作動流体を案内するように設けることもできる。
FIG. 6 is a schematic diagram of an alternative embodiment. The
図7は、加熱装置40がボイラー10の廃熱流入管11上に接続されている、別の代替実施形態の概略図である。バイパス弁20及びバイパス回路22は、その他の実施形態と同様に設けることもできる。
FIG. 7 is a schematic diagram of another alternative embodiment in which the
本発明は、好ましい原理、実施形態、及び構成要素に関して説明した。当業者は、特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的範囲から逸脱することなく構成要素の置換を行うことができることを理解するであろう。 The invention has been described with reference to preferred principles, embodiments and components. Those skilled in the art will appreciate that component substitutions can be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Claims (9)
作動流体を循環させるための作動流体回路と、
前記作動流体回路上に接続され、前記排気ガスシステムから廃熱を回収し、回収した廃熱を前記作動流体に伝達するように構成されたボイラーと、
前記ボイラーから前記作動流体を受け取るために前記作動流体回路上に接続された膨張機と、
前記作動流体に熱を伝えるために接続されたバーナーまたは電気ヒータを含む補助加熱装置と、
前記ボイラーの出口において前記作動流体の温度を検出し、それを表す温度信号を生成するように配置された温度センサと、
前記温度センサからの前記温度信号を受信するように接続され、前記膨張機の作動レベルには十分でない前記ボイラーから流出する前記作動流体の温度を示す前記温度信号に応じて前記作動流体に熱を伝えるために前記補助加熱装置を制御するように接続された制御装置とを備える
車両用廃熱回収装置。 In a vehicle waste heat recovery apparatus having an internal combustion engine with an exhaust gas system
A working fluid circuit for circulating the working fluid;
A boiler connected on the working fluid circuit and configured to recover waste heat from the exhaust gas system and to transfer the recovered waste heat to the working fluid;
An expander connected on the working fluid circuit to receive the working fluid from the boiler;
An auxiliary heating device including a burner or an electric heater connected to transfer heat to the working fluid ;
A temperature sensor arranged to detect the temperature of the working fluid at the outlet of the boiler and generate a temperature signal representative thereof;
The working fluid is connected to receive the temperature signal from the temperature sensor and heats the working fluid in response to the temperature signal indicating a temperature of the working fluid flowing out of the boiler that is not sufficient for an operating level of the expander. And a controller connected to control the auxiliary heating device to communicate
Waste heat recovery equipment for vehicles .
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